潛孔錘及牙輪擴孔組合鉆進在排水井工程中的研究與應用

李國余

(大同煤礦集團有限責任公司，山西省大同市，037003)

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潛孔錘及牙輪擴孔組合鉆進在排水井工程中的研究與應用

李國余

(大同煤礦集團有限責任公司，山西省大同市，037003)

針對傳統方法采用多級套管封堵采空區具有的工期長、勞動強度大、成本高以及不能滿足鉆探工作的需要等問題，研究采用了潛孔錘及牙輪擴孔組合鉆進方法，分析了組合鉆進技術參數，介紹了組合鉆進技術難點，在同煤集團同忻礦進行的現場施工實踐表明, 采用潛孔錘及牙輪擴孔鉆進相結合的方法可以成功避免卡鉆、埋鉆、斷鉆桿等不利情況，為類似鉆井施工提供了借鑒。

潛孔錘 牙輪鉆進 排水井 采空區排水

1 工程概況及地質情況

1.1 工程概況

同煤集團同忻礦為千萬噸礦井，現開采石炭系3#～5#特厚煤層, 煤層埋深500 m左右，礦井一、二盤區上覆侏羅系3#、9#、11#、14#等多層采空區，含有大量采空積水，積水量預計超過100萬m3，這給石炭系3#～5#煤層的安全生產帶來嚴重隱患。為了保證礦井正常接替，需盡快排放采空積水，經多次論證，決定采取地面排水井進行排放，共設計排水井2個, 一、二盤區各1個，直徑為550 mm，終孔深度為370 m。

1.2 地質情況

同煤集團同忻礦一、二盤區上覆為第四系全新統Q4，侏羅系中統云岡組J2y,侏羅系中統大同組J2d沉積地層，K22、K21為標志層。鉆孔主要涉及巖性為第四紀馬蘭期黃土、松散砂礫、碎石和卵石層； 云岡組和大同組巖性多為砂巖、礫巖、碳質泥巖和部分煌斑巖。上覆侏羅系3#、9#、11#、14#煤層為上世紀70年代開采的采空區,施工區域為向斜軸部，斷層發育，構造復雜，采空區區域巖層破碎。

2 鉆進方法及排水井井深結構

2.1 鉆進方法優選

由于鉆孔要穿越多層采空區及其附近巖層形成的大量裂隙帶和破碎帶，常規泥漿鉆進工藝不能滿足施工要求，經優化, 采用空氣潛孔錘結合牙輪擴孔組合鉆進方式。一開先導孔孔徑為215.9 mm，采用正循環空氣潛孔錘鉆進工藝，以壓縮空氣為動力驅動潛孔沖擊器沖擊碎巖，孔底巖屑隨壓縮空氣的循環攜帶至地表或采空區內，達到清除孔內沉渣的目的；二開孔徑為550 mm，由于要穿過多層采空區，空氣潛孔錘鉆進已經不能在擴孔中使用，因此采用以壓縮空氣為沖洗介質的牙輪擴孔鉆進，巖石碎屑通過一開導流孔流入底部采空區內，達到排屑目的，風冷牙輪擴孔直至終孔，風冷組合牙輪鉆進是本工程成井的關鍵。

鉆具組合情況為：一開先導孔為215.9 mm潛孔錘(型號IADC550 )+159 mm鉆鋌+127 mm鉆桿+主動鉆桿；二開擴孔為550 mm牙輪擴孔鉆頭(型號spm380-216 )+177.8 mm鉆鋌+127 mm鉆桿+主動鉆桿。潛孔錘鉆具組合示意圖如圖1所示。

圖1 潛孔錘鉆具組合示意圖

2.2 排水井井深結構

為了滿足地面抽水需要，開孔鉆頭直徑為820 mm，下入750 mm孔口管20 m，終孔直徑為550 mm，終孔位置-370 m，下入426 mm套管。排水井井深結構如圖2所示。

圖2 排水井井深結構圖

3 組合鉆進技術參數

3.1 潛孔錘鉆進參數

潛孔錘鉆進技術參數的選擇是否合理直接影響鉆進效率和經濟效益。它主要包括供風量、風壓、鉆壓、轉速和沖擊頻率等，各個參數的選取方法如下：

(1)供風量。根據所選用的空壓機、潛孔錘的性能和鉆孔深度及直徑，合理確定風量，達到潛孔錘既能正常工作，又能排出孔底巖粉的作用。根據《水文地質鉆探規程》，潛孔錘正循環全面鉆進排渣通道上的上返風速不應低于16 m/s。根據式(1)計算供風量Q：

Q≥47.1K1K2(D2一d2)v

(1)

式中：Q——供風量，m3/min；

K1——孔深修正系數，K1=1～1.1，此處取1.05；

K2——孔內涌水系數，K2=1～1.5，此處取1.1；

D——鉆孔直徑，D=0.216m；

d——鉆桿外徑，d=0.127m；

v——上返風速，一般取15～25m/s,此處取16m/s。

(2)風壓。潛孔錘的沖擊頻率和沖擊功都與風壓有著密切的關系，鑒于本排水井孔斜要求較高，轉速不宜太快，故風壓宜保持在0.8～1.5MPa。潛孔錘鉆進時，除正常工作所需風壓外，還要加上孔深時沿程壓降及克服水位以下的水柱壓力，在施工過程中應及時根據孔內情況調節風壓。鉆孔較深時，當單臺空壓機提供風壓不能滿足鉆進需要時，需采用多臺并聯或利用增壓機提供更高的風壓。

(3)鉆壓?？諝鉂摽族N鉆進主要靠沖擊作用破碎巖石，鉆壓的主要作用是為保證鉆頭齒能與巖石緊密接觸，克服沖擊器及鉆具的反彈力，以便有效地傳遞來自沖擊器的沖擊功。如果鉆壓過小，則難以克服沖擊器工作時的背壓和反彈力，直接影響沖擊功的有效傳遞；如果鉆壓過大，則扭矩也會增大，結果會導致鉆具和鉆頭的快速磨損和損壞。根據地層硬度、鉆頭類型和規格尺寸選擇鉆壓，使鉆頭與孔底巖石緊密接觸，禁止鉆頭在孔底空轉。一般鉆進軟巖石時鉆壓控制在40～60kN，鉆進硬巖石時鉆壓控制在60～80kN。

(4)轉速。主要根據巖石的性質、鉆頭直徑、沖擊功和沖擊頻率來確定,轉速僅是為了改變鉆頭破巖的位置，避免重復破碎，合理的回轉速度應保證在最優的沖擊間隔范圍內破碎巖石，一般轉速范圍為：覆蓋層40～60r/min，軟巖層30～50r/min，中硬巖層20～40r/min，硬巖層10～30r/min。

(5)沖擊頻率。當潛孔錘額定風量和額定風壓均達到規定要求時，都能達到額定沖擊頻率。潛孔錘一般的額定沖擊頻率為750～1100 次/min。

由以上方法確定的潛孔錘鉆進(?215.9mm)技術參數見表1。

表1 潛孔錘鉆進(?215.9 mm)技術參數

3.2 牙輪擴孔鉆進參數

(1)供風量。牙輪擴孔鉆進孔徑550mm，所需風量一般為潛孔錘鉆進風量的2倍。

(2)風壓。風冷牙輪鉆進中，風量使用量很大，工作風壓一般保持在0.3～0.6MPa之間，如果風壓突然上升，有可能是鉆頭周圍巖渣過多，先導孔堵塞，要及時起鉆進行撈渣透孔。

(3)鉆壓。風冷組合牙輪鉆進，壓力要根據地層、轉速、鉆進速度等數據有效的結合來定，一般控制在50～60kN。

(4)轉速。根據不同地層，轉速適當增減，一般控制在40～60r/min。

由以上方法確定的牙輪擴孔(?550mm)技術參數見表2。

表2 牙輪擴孔(?550 mm)技術參數

4 組合鉆進技術難點

4.1 潛孔錘鉆進防斜技術

(1)潛孔錘鉆進時，鉆孔的孔位必須滿足設計的要求精度，鉆機安裝必須做到穩固、周正、水平，開孔角度必須控制良好。為了保證孔斜率，鉆進過程中每隔50m測量一次傾角和方位，并要使用高精度的立軸鉆桿和防斜鉆桿，嚴格按照規定的鉆進技術參數進行施工。

(2)下鉆過程中，潛孔錘接觸地面時，待鉆頭在地面沖擊出小孔，再采用輕壓回轉鉆進。開孔鉆進3～5m后，提出鉆桿,用倒垂法定出孔底中心位置，然后調整鉆機位置，使立軸回轉中心和孔底中心在一條鉛直線上。隨著鉆孔深度的增大，增加粗徑鉆具長度，0～50m時加接159mm鉆鋌，50～370m時加鉆桿扶正器，扶正器長度不小于6m。

(3)鉆進過程中，鉆壓不能過大，防止鉆桿彎曲而造成孔斜;鉆進風化層、破碎帶、松散堆積層時，降低鉆壓，鉆壓控制在45kN以內，確保鉆孔垂直度。鉆進時應保持環狀間隙暢通無阻，遇坍塌掉塊時，反復提動鉆具強行吹風沖擊，把掉塊擠碎吹出孔外。

4.2 遇采空區施工技術

(1)遇見采空區時，風量損失加大，孔底巖屑已無法順利經環狀間隙上返至地面，大量巖屑會在風力作用下被吹入采空區內；鉆孔軸線邊緣采空位置堆積巖粉過量時，將影響巖粉繼續被吹入采空區內的效果，因此需在采空區位置下入花眼風管，加大風量吹送巖粉至距離鉆孔軸線更遠的空間內，為下部鉆進孔底巖屑上返至采空區內提供空間，以增大孔底巖粉繼續被吹入采空區的空間。繼續鉆進，孔底巖屑堆積過多無法上返自由進入采空區，此時進尺緩慢，需制作撈渣管及時清理孔底巖屑，每回次進尺3～5m即起鉆下入撈渣管除渣，保持孔內干凈，避免重復破碎。

(2)遇見采空區時，由于風量及壓力損失較大，需及時調整空壓機的參數或增加空壓機數量，以便滿足需要。在過采空區時，由于鉆頭壓力點失去了支撐層,鉆具會產生落空或在冒落帶內因重力垂落,應及時從風壓、鉆速、巖屑、地質資料等方面綜合分析，提前判斷距采空區的井深，采取及時剎車停鉆的措施。

4.3 遇地層出水施工技術

遇地層出水時, 巖屑與水相連粘結成團不易被吹出井眼, 巖屑團越滾越大最后形成鉆頭泥包及鉆桿上的環形泥餅,吸附在孔壁上巖屑增多，造成巖屑排除困難以及鉆頭和鉆桿泥包問題，因此，采用以下措施提高排屑能力：

(1)根據所鉆井眼尺寸準備好足夠數量的空氣壓縮機、增壓機，以確保能提供滿足空氣鉆井要求的足夠空氣量。遇到地層出水時，空氣鉆進不能滿足要求的情況下,要及時在注入空氣過程中注入濃度0.1%的泡沫膠液，使其轉換成霧化鉆井以提高攜帶能力, 隨著鉆進深度的增加霧化鉆進不能滿足攜帶巖粉時, 要將泡沫膠液的濃度提高到0.2%，同時控制地面空氣排量，轉化為泡沫鉆進。

(2)優化泡沫膠液配方, 提高泡沫質量,并在其中加入濃度0.8%的粘土抑制劑, 抑制地層中的泥巖水化膨脹,防止井眼縮徑和井壁坍塌。

(3)降低鉆速, 降低巖屑產生量，同時增大環空氣流速度，在氣量不變情況下加大上返速度，從而提高排屑能力。此外及時進行短拉,鉆進一段即上下活動鉆具，破壞已形成的泥餅環和縮徑井眼。

5 現場實施效果

采用本組合鉆進方法，在同煤集團同忻礦一、二盤區共施工了2個550mm排水井，平均臺月效率為350m，平均鉆速為11.66m/d；如使用以往回轉鉆進施工排水井，平均臺月效率僅為87.5m，平均鉆速為2.91m/d。通過比較可見，采用本組合鉆進方法大大提高了鉆進效率，縮短了工期，減小了勞動強度，降低了成本。目前同煤集團同忻礦通過2個排水井已累計排放上覆多層采空區積水120萬m3，及時、有效地消除了安全隱患，保證了礦井的正常接替，為安全生產提供了有力保障。

[1] 王達.地質鉆探手冊[M]. 長沙：中南大學出版社，2014

[2] 張統得，嚴君鳳，房勇等.空氣潛孔錘鉆進在烏蒙山地下水探采結合工程中的應用[J].探礦工程，2016(10)

[3] 劉炳志， 韓成彬， 王英等.大口徑煤礦定向排水井鉆探及完井施工技術 [J]. 探礦工程，2007(4)

[4] 趙玉啟,朱紅青, 賈瑞華等.煤礦排水井快速施工技術實踐[J].中州煤炭，2010(2)

[5] 朱正平.改進西南小煤礦搶險排水裝備的探討[J].中國煤炭，2007(12)

(責任編輯 路 強)

Study and application of combined drilling technology of down-hole hammer and roller reamer bit in sump shaft engineering

Li Guoyu

(Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037003, China)

The traditional way adopted stage casing to block off the goaf, but it had some disadvantages, such as longer work-period, higher labor strength and costs, and couldn't meet the need of drilling work. Based on above situation, combined drilling method of down-hole hammer and roller reamer bit was adopted, and its technique parameters and technological difficulties were introduced and analyzed. The site operation in Tongxin Mine of Datong Coal Mine Group showed that the combined drilling method could avoid bit jamming, burying and breaking, which provided references for similar well drilling operation.

down-hole hammer, roller bit drilling, sump shaft, drain off goaf water

李國余. 潛孔錘及牙輪擴孔組合鉆進在排水井工程中的研究與應用 [J].中國煤炭，2017，43(6)：93-96. Li Guoyu. Study and application of combined drilling technology of down-hole hammer and roller reamer bit in sump shaft engineering[J].China Coal，2017，43(6)：93-96.

TD744

A

李國余(1966-)，男，山西應縣人，碩士，高級工程師，現任職于同煤集團地質勘測處，主要從事地質勘測方面的工作。